I recenti progressi compiuti dai ricercatori Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao e Fanghao Meng del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno dimostrato il potenziale dei pacchetti di onde magnoniche – eccitazioni collettive dello spin degli elettroni – di trasportare informazioni quantistiche su distanze sostanziali in una classe di materiali noti come antiferromagneti.

Il loro lavoro ribalta la comprensione convenzionale su come tali eccitazioni si propagano negli antiferromagneti. L'avvento delle tecnologie quantistiche (computer, sensori e altri dispositivi) dipende dalla trasmissione fedele delle informazioni quantistiche a distanza.

Con la loro scoperta, riportata in un articolo pubblicato su Nature Physics , Orenstein e colleghi sperano di aver fatto un passo avanti verso questi obiettivi. La loro ricerca fa parte di un impegno più ampio condotto dal Berkeley Lab per far avanzare l'informazione quantistica lavorando nell'ecosistema della ricerca quantistica, dalla teoria all'applicazione, per fabbricare e testare dispositivi basati sulla quantistica e sviluppare software e algoritmi.

Gli spin degli elettroni sono responsabili del magnetismo nei materiali e possono essere pensati come minuscole barre magnetiche. Quando gli spin vicini sono orientati in direzioni alternate, il risultato è un ordine antiferromagnetico e la disposizione non produce alcuna magnetizzazione netta.

Per comprendere come i pacchetti di onde magnon si muovono attraverso un materiale antiferromagnetico, il gruppo di Orenstein ha utilizzato coppie di impulsi laser per perturbare l'ordine antiferromagnetico in un punto mentre sondavano in un altro luogo, ottenendo istantanee della loro propagazione. Queste immagini hanno rivelato che i pacchetti di onde magnon si propagano in tutte le direzioni, come le increspature su uno stagno causate da un ciottolo caduto.

Il team del Berkeley Lab ha anche dimostrato che i pacchetti di onde magnoniche nell’antiferromagnete CrSBr (bromuro di solfuro di cromo) si propagano più velocemente e su distanze più lunghe di quanto previsto dai modelli esistenti. I modelli presuppongono che lo spin di ogni elettrone si accoppi solo a quello dei suoi vicini. Un'analogia è un sistema di sfere collegate alle vicine tramite molle; lo spostamento di una sfera dalla sua posizione preferita produce un'onda di spostamento che si diffonde nel tempo.

Sorprendentemente, tali interazioni prevedono una velocità di propagazione che è ordini di grandezza inferiore a quella effettivamente osservata dal team.

"Tuttavia, ricordiamo che ogni elettrone in rotazione è come una minuscola barra magnetica. Se immaginiamo di sostituire le sfere con minuscole barre magnetiche che rappresentano gli elettroni in rotazione, l'immagine cambia completamente", ha detto Orenstein. "Ora, invece delle interazioni locali, ogni barra magnetica si accoppia tra loro in tutto il sistema attraverso la stessa interazione a lungo raggio che attira un magnete da frigorifero verso la porta del frigorifero."